CN201289412Y - 一种测量大直径轴功率的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种测量大直径轴功率的装置，该装置包括测频单元、数据传输单元和数据处理装置：测频单元由扭力耦合环和固定于其上的两个钢弦传感器组成，第一钢弦传感器和第二钢弦传感器的信号输出线接至集流环的铜环上；卡于待测定轴的集流环上设有六道铜环，中间四道铜环分别连接第一钢弦传感器和第二钢弦传感器的四根信号输出线，两侧的两道铜环分别连通待测定轴，集流环上同圆心固定有测速环，一个两重触点电刷装置自集流环上采集钢弦传感器的频率信号、自测速环上采集转速信号，并通过电缆输送至数据处理装置。本实用新型具有高度的测量精确和稳定性，并具有高的测量灵敏度，并可用于不同直径的轴功率的测量。

Description

一种测量大直径轴功率的装置

技术领域

本实用新型涉及功率测量，特别涉及大型船舶在航行过程中对动力装置与航速关系的考核和测试装置。该测试装置用于准确确定测定驱动轴的扭矩、转速和功率，应用范围主要是涡轮机和柴油机装置船上的扭矩和功率测量，可作为船舶航行时的连续使用装置，也可以作为交船试验时的测量装置。

背景技术

船舶动力装置的负荷试验和航速的考核是船舶建造过程中的一个重要项目，它不仅为船舶设计提供准确的理论数据，而且直接为船舶建造检验做出技术性能的评价。

根据以前国内外的测试方法，主要分为两种，一是测频法，二是应变法。两种方法均是把直接测到的频率或应力通过仪器采样转变成扭矩信号，再通过测量即时转速换算成功率。这两种方法无论是原理还是操作上都是比较成熟的，但也各有缺点，至少在目前情况下对大轴径轴功率测试这个项目的应用上都有着或多或少的欠缺。

测频法精度高(±1％)但体积较大没有现成设备(目前市场上的现有设备都是使用于750mm以下轴径的)。其工作原理决定了这种装置结构部件较多，机械部分占据了该种装置的很大比例，导致的直接后果就是笨重！但可靠性和高精度是它的最大优势，具体结构特征和特点会在后文详述。

应变法具有轻巧方便的优势，但由于安装过程中人为因素的影响较大，难以保证精度，误差较大，即使较理想的状态下也精度也有±5％到±8％左右的误差(经过对比试验)。上述测试结果显然达不到理想要求，以至于在实际操作中产生了困难。

实用新型内容

本实用新型的方法在于克服上述现有技术的不足，提供一种新型的测定轴功率的装置。利用本实用新型的装置可以达到应用到大轴径的轴功率测量，并且测量精度超出现有任何一种设备。

本实用新型的工作原理：

扭矩由一个转动的轴上输出，轴的弹性使轴上产生一个与扭矩成正比例的扭转。将两个测量环以一定间隔的距离套在轴上，用它们来确定一个定长L内的扭矩量，两个灵敏系数尽量一致的钢弦传感器放在两个测量环之间，当轴沿某方向扭转时，机械张力使得一根钢弦拉紧，频率随之增加；另一根则放松，频率随之降低。轴不带负载时和带负载时钢弦频率的变化量换算成轴传递的扭矩。两个测量钢弦的频率变化量相同，方向却相反，虽然离心力、温度和弯曲都会有引起误差，而取平均值后就消除了这个误差，这与电路中差分管的原理差不多。

本实用新型的技术方案如下：

一种测量大直径轴功率的装置，该装置包括测频单元、数据传输单元和数据处理装置：

所述的测频单元由套于轴上的扭力耦合环和固定于扭力耦合环上的相同的第一钢弦传感器和第二钢弦传感器组成，所述扭力耦合环为两个平行固定在一起的圆环，第一钢弦传感器的两根信号输出线和第二钢弦传感器的两根信号输出线分别于集流环上的铜环；

所述的数据传输单元包括集流环和两重触点电刷装置，集流环卡于待测定轴上并随其一起转动，集流环上设置有平行的六道铜环，其中的中间四道铜环分别连接第一钢弦传感器和第二钢弦传感器的四根信号输出线，两侧的两道铜环分别连通待测定轴，起到接地作用，在集流环上固定有测速环，一个两重触点电刷装置自集流环上采集钢弦传感器的频率信号、自测速环上采集转速信号，并通过两根扭矩测量电缆和一根转速测量电缆输送至数据处理装置；

所述的数据处理装置处理转速和扭矩后通过如下公式计算出轴功率数值：

P＝1.02647KN.M.n

其中，P为功率，KNM为扭矩，n为转速。

所述的测频单元包括两个固定在一起的扭力耦合环，该扭力耦合环上两个平行的圆环由固定在一起的半圆形测量环连接组成，一共由四个测量环，平行的测量环固定在一起，其中一半测量环固定有两个钢弦传感器，各测量环的内侧分别固定有一个半圆形的第一刀口，第一刀口的内径等于待测轴的外径，每个第一刀口与待测轴间为线接触，两个第一刀口与待测定轴的接触线间的距离为L。

所述的数据传输单元包括集流环和两重触点电刷装置，该集流环通过其内侧的第二刀口卡于待测定轴上，第二刀口的内径等于待测定轴的外径，集流环上铜环的外径略大于集流环的外径，铜环的外缘突出于集流环的外缘，六道铜环中间的四道通过四根信号传输线两两连接于测频单元的钢弦传感器上，所述的集流环的一侧固定有同圆心的测速环，该测速环靠近边缘部分开有测速孔，所述的两重触点电刷装置包括有六个信号测定触点，六个触点分别与集流环上的六道铜环接触，其中两侧的两个触点为接地触点，中间的四个触点为两个钢弦传感器的信号触点，所述两重触点电刷装置还包括有转速计数器，该转速计数器呈叉状，端部的红外线信号装置放置于位于测速环上测速孔所处的圆周位置。

所述的数据处理装置(也可称为接收机)包括数据处理单元和显示单元，数据处理单元把电刷传输的频率信号和转速计数机传输的转速信号换算成扭矩和功率值，并由显示单元以数字方式显示。数据处理单元内设有振荡器、计数器、计算器和存储器、控制单元、数模转换器。振荡器、计数器、计算器和存储器、控制单元和数模转换器组成的数据处理单元实现扭矩、转速和功率的计算和存储，有显示单元显示出转速、扭矩和功率的数字值。所述的传输第一钢弦传感器和第二钢弦传感器所测频率信号的两根扭矩测量电缆输出数据至振荡器，由计算器和存储器计算出扭矩后由扭矩显示器显示；转速测量电缆的信号输入至计数器后再由计算器和存储器计算出转速有转速显示器显示；由转速和扭矩数值计算出的功率数据由功率显示器显示。为保证测量数据的准确性，该装置十秒种采样一次，然后再给出一个平均值。

基于上述技术方案，本实用新型较现有技术带来如下技术优点：

1.测量值的远距离传送与传送过程中与阻抗的变化无关。因为两个钢弦传感器灵敏系数基本一致，当轴沿某方向扭转时，机械张力使得一根钢弦拉紧，频率随之增加；另一根则放松，频率随之降低。两个测量钢弦的频率变化量相同，方向却相反，对接收机来说就是数值相同但正负相反的两个信号，由于仪器的计算方式是两值相减，由导线引起的阻抗变化因导线长度相等，所以数值也相同，相减后抵消为零，信号强度却是两个叠加，虽然离心力、温度和弯曲都会有引起误差，而运用了以上原理后就消除了这个误差。

2、具有高度的稳定性，测量精确，测量误差小于测量范围的±1％。由于本装置在安装完毕后异常牢固，只要调试得当，零位设置准确，精度是相当高的。

3、由于传感器的高灵敏度和接收机的高制作精度决定本装置具有高的测量灵敏度，可达测量范围的10^-4。

4、采用可互换刀环，使扭力耦合环可以用于不同直径的轴上。方便拆装的刀口环可根据不同的轴径定制，以备不同的船型需要。

5、有很强的温度补偿能力。

6、可以连续(重复)使用而测量特性不变，由于本装置采用可拆装结构，又具有足够的强度，经反复拆装也不会导致其结构的变化，故可以连续(重复)使用而测量特性不变。

附图说明

图1是本实用新型一种测量大直径轴功率的装置的结构示意图。

图2A是本实用新型一种测量大直径轴功率的装置中的扭力耦合环的正视示意图。

图2B是本实用新型一种测量大直径轴功率的装置中的扭力耦合环的侧视示意图。

图3是本实用新型一种测量大直径轴功率的装置中的集流环的装配图。

具体实施方式

下面我们结合附图和具体的实施例来对本实用新型的一种测量大直径轴功率的装置做进一步的详细说明，但不能以此来限制本实用新型的保护范围。

先请看图1，图1是本实用新型一种测量大直径轴功率的装置的结果示意图，由图可知，本实用新型的测量大直径轴功率的装置主要结构包括测频单元1、数据传输单元2和数据处理装置3。由测频单元1对轴的扭矩进行测量，并以频率的形式输出。数据传输单元2是对所测的频率信号传输给数据处理单元3，同时对轴的转速进行测定，也将轴转速信号传输给数据处理单元3。数据处理单元3是一个接收机，将所接收的频率信号换算成扭矩值显示给操作者，同时将轴的转速也以数字值的方式显示给操作者，根据所测定换算的待测定轴的扭矩值和转速值来计算出待测定轴的轴功率的大小。轴功率的数值也是通过显示装置显示给操作。

本装置中的测频单元1主要是由套于待测定轴0上的扭力耦合环11和固定于扭力耦合环11上第一钢弦传感器12和第二钢弦传感器12组成。第一钢弦传感器12和第二钢弦传感器13的测量信号以及测量参数尽量保持一致，目的在于通过两个传感器所测数值平均，减小所测的误差。

扭力耦合环11由两个平行固定在一起的圆环组成，圆环的内径大于待测定轴0的外径，可以通过在圆环的内侧设定刀口来卡于待测定轴0上。第一钢弦传感器12的两根信号输出线14和第二钢弦传感器13的两根信号输出线14分别于连接至集流环21上的铜环21上。

扭力耦合环的具体结构如图2A和图2B所示，图2A是本实用新型一种测量大直径轴功率的装置中的扭力耦合环的正视示意图，图2B是本实用新型一种测量大直径轴功率的装置中的扭力耦合环的侧视示意图。由图可知，扭力耦合环11的圆环是由半圆形的测量环连接组成。四个半圆形的测量环每两个平行固定在一起，四个测量环通过中间的连接部件连接成两个平行的圆环。在其中两个平行固定测量环之间设置有两个相同的钢弦传感器，即第一钢弦传感器12和第二钢弦传感器13。

两个扭力耦合环11的每个测量环内侧固定有一个半圆形的第一刀口111，第一刀口111的内径等于待测定轴0的外径，每个第一刀口111与待测定轴0之间为线接触，两个平行的第一刀口111与待测定轴0的接触线间的距离为L。第一刀口111卡于测量环内侧的凹槽中，在第一刀口111上设有凸起的刃部，刃部与待测定轴0接触，形成一个线接触。在测定不同轴径的轴功率时，可以通过更换第一刀口111来进行测量，这样本套装置也就具有很大的通用性。

现在市场上没有现成的750mm以上的扭力耦合环，所以根据需要我们设计了直径分别为775～825mm和800～850mm的两套环，扭力耦合环由两个滑动的圆环组成，这两个圆环相隔L＝90mm套在待测定轴0上，通过运用不同口径第一刀口111的连接方式，可以在775mm～850mm轴径范围内都可以测试。

用于确定轴径的固定测量装置时，扭力耦合环11和集流环21是固定的，而用于不同轴径的临时测量装置时，则通过使用不同轴径的刀口。另外，扭力耦合环11和集流环21之间的位置是可以进行互换，不会影响测量结果。

集流环21的具体结构可以从图3直观看出，图3是本实用新型一种测量大直径轴功率的装置中的集流环的装配图。由图可知，集流环21卡于待测定轴0上并随其一起转动，集流环21上设置有平行的六道铜环211，其中的中间四道铜环分别连接第一钢弦传感器12和第二钢弦传感器12的四根信号输出线14，两侧的两道铜环分别连通待测定轴，实现待测定轴0的接地，避免出现静电影响测量结果。集流环21通过其内侧的第二刀口210卡于待测定轴0上，第二刀口210的内径也等于待测定轴0的外径，第二刀口210与待测定轴0之间为面接触。

在集流环21的一侧同圆心固定有测速环23，测速环23靠近圆周边缘位置开有多个测速孔。每个测速孔的圆心均处于测速环23的同一圆周上，实践当中测速孔的数目为60个，可以选择其他测速孔的数目。

两重触点电刷装置22自集流环21上采集钢弦传感器的频率信号，并两根扭矩测量电缆输送至数据处理装置3。自测速环23上采集转速信号，并通过一根转速测量电缆和两根扭矩测量电缆输送至数据处理装置3。频率信号的拾取用一个可靠的两重触点电刷装置取出测量值，当仪表不用时触点电刷升起，以防碳刷磨损，延长使用寿命。转速信号的拾取是用装在集流环上的60孔测速环和红外线信号装置来实现，红外线信号装置是由光栅和发光二极管——光敏晶体三级管组成的转速计数器。红外线信号装置装在触点电刷装置上形成了双重触点电刷装置22，可以实现传递频率信号的同时进行转速测量。双重触点电刷装置22和作为信号处理装置3的接收机之间连有两根电缆，一根扭矩测量电缆传输频率信号，一根转速测量电缆传输转速信号。这样被测数据是从旋转的扭力耦合环上的传感器滑环方式传送给接收机了。

所述的数据处理装置3由数据处理单元和显示单元组成，数据处理单元3把电刷传输的频率信号和转速计数机传输的转速信号换算成扭矩和功率值，并由显示单元以数字方式显示。为保证测量数据的准确性，该装置十秒种采样一次，然后再给出一个平均值。数据处理单元3内设有振荡器、计数器、计算器和存储器、控制单元和数模转换器来实现数据处理和存储。

传输第一钢弦传感器12和第二钢弦传感器13所测频率信号的两根扭矩测量电缆输出数据至振荡器，由计算器和存储器计算出扭矩并进行存储，计算结果后由扭矩显示器显示。

转速测量电缆的信号输入至计数器后再由计算器和存储器计算出待测定轴的转速，该转速数值由转速显示器显示。

由转速和扭矩数值计算出的功率数据，并由功率显示器显示。数据处理装置处理转速和扭矩后通过如下公式计算出轴功率数值：

P＝1.02647KN.M.n

其中，P为功率，KNM为扭矩，n为转速。

为检验此项设计的实际效果，我们在大型柴油机输出中间轴上做轴功率测试，并以此来考核被测船舶的主机负荷和航速是否达到要求，故在船舶出航前就需完成对该设备的安装调试工作，在航行过程中只需检测和记录即可。本实用新型的装置在大型柴油机输出中间轴上做轴功率测试的工作流程如下：

①对中间轴(即待测定轴)的轴径进行测量，确定直径后加工与之匹配的刀口。

②对中间轴进行清洁及打磨，使之达到良好的接地性能。

③安装扭力耦合环和集流环，要求与中间轴方向绝对垂直，各环间相互平行，并与中间轴结合牢固在高转速状态下刀口与中间轴无相对滑移。

④安装刷架与测速光头，刷架与集流环接触需有良好的导电性能。

⑤仔细调整传感器频率，使两个灵敏度系数一致的传感器在零扭矩的状态下频率尽量调到一致(600Hz±8Hz)。

⑥在接收机(数据处理装置)上输入因频率调整而产生的误差零位及轴常数。至此一切准备工作就绪，可以开始进行测量工作。

实施例：

在某大型集装箱船试航中，在同一根中间轴上安装过两套轴功率测试设备，一套是本实用新型的大型套筒式轴功率测量装置，另一套则为某国外产的现有技术的应变式轴功率测量装置。试验结束后，测试数据如下表。

         本实用新型                           现有技术

结论：

从上表中的数据对比后可以看出，本实用新型的测量大轴径的轴功率的装置的测量结果比现有技术中应变式测量装置的测量结果功率要大5％左右。从测试的整个过程来看，测量数据比较稳定，并且和船上同时测量的爆压和排温数据相吻合。上述装置在应用到实践中后，在船上主机考核、航速测量都是以本实用新型的测量数据为准，同时也得到船东船检的认可。

本实用新型的测量大轴径的轴功率的装置具有如下优点：与应变式测量装置相比精度相对较高，测量数据稳定，受外界影响小，试验结束后可以拆下，到下条船上再用，可反复使用。

Claims (4)

1.一种测量大直径轴功率的装置，其特征在于，该装置包括测频单元(1)、数据传输单元(2)和数据处理装置(3)：

所述的测频单元(1)由套于待测定轴(0)上的扭力耦合环(11)以及固定于扭力耦合环(11)上的相同的第一钢弦传感器(12)和第二钢弦传感器(13)组成，所述扭力耦合环(11)为两个平行固定在一起的圆环，第一钢弦传感器(12)的两根信号输出线(14)和第二钢弦传感器(13)的两根信号输出线(14)分别于集流环(21)上的铜环(211)；

所述的数据传输单元(2)包括集流环(21)和两重触点电刷装置(22)，集流环(21)卡于待测定轴(0)上并随其一起转动，集流环(21)上设置有平行的六道铜环(211)，其中的中间四道铜环(211)分别连接第一钢弦传感器(12)和第二钢弦传感器(13)的四根信号输出线(14)，两侧的两道铜环(211)分别连通待测定轴(0)，在集流环(21)上还固定有测速环(23)，所述的两重触点电刷装置(22)自集流环(211)上采集钢弦传感器的频率信号、自测速环(23)上采集转速信号，并通过两根扭矩测量电缆和一根转速测量电缆输送至数据处理装置(3)；

所述的数据处理装置(3)处理转速和扭矩后通过如下公式计算出轴功率数值：

P＝1.02647KN.M.n

其中，P为功率，KNM为扭矩，n为转速。

2.根据权利要求1所述的一种测量大直径轴功率的装置，其特征在于，所述扭力耦合环(11)的圆环由两个半圆形测量环连接组成，其中一半测量环固定有所述的第一钢弦传感器(12)和第二钢弦传感器(13)，每个测量环的内侧各固定有一个半圆形的第一刀口(111)，第一刀口(111)的内径等于待测定轴(0)的外径，每个第一刀口(111)与待测轴间(0)为线接触，两个圆环内的第一刀口(111)与待测定轴(0)的接触线间的距离为L。

3.根据权利要求1所述的一种测量大直径轴功率的装置，其特征在于，所述数据传输单元(2)的集流环(21)通过其内侧的第二刀口(210)卡于待测定轴(0)上，第二刀口(210)的内径也等于待测定轴(0)的外径，第二刀口(210)与待测定轴(0)之间为面接触，集流环(21)上铜环(211)的外径略大于集流环(21)的外径，在所述集流环(21)的一侧同圆心地固定有测速环(23)，该测速环(23)靠近圆周边缘部分开有测速孔，所述两重触点电刷装置(22)包括有六个信号测定触点(221)，六个触点(221)分别与六道铜环(211)接触，其中两侧的两个触点为接地触点，中间的四个触点为两个钢弦传感器的信号触点，所述的两重触点电刷装置(22)还包括有转速计数器(222)，该转速计数器(222)呈叉状，其端部的红外线信号装置放置于位于测速环(23)上测速孔所处的圆周位置。

4.根据权利要求1所述的一种测量大直径轴功率的装置，其特征在于，所述的数据处理装置(3)内设有振荡器、计数器、计算器和存储器、控制单元、数模转换器和显示转速、扭矩和功率的显示器；所述的传输第一钢弦传感器(12)和第二钢弦传感器(13)所测频率信号的两根扭矩测量电缆输出数据至振荡器，由计算器和存储器计算出扭矩后由扭矩显示器显示；转速测量电缆的信号输入至计数器后再由计算器和存储器计算出转速有转速显示器显示；由转速和扭矩数值计算出的功率数据由功率显示器显示。

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